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Entwurf und Synthese von Eingebetteten Systemen

Ein Lehrbuch

AutorMartin Bogdan, Walter Lange
VerlagDe Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr2013
Seitenanzahl378 Seiten
ISBN9783486721096
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis39,80 EUR
Dieses Buch bietet eine Einführung in die wichtigsten Themen rund um Eingebettete Systeme wie zum Beispiel Technologien, Kommunikation, Mikroprozessoren, Systembeschreibungssprachen, Sensornetzwerke und High-Level-Synthese. Einen breiten Raum nimmt dabei auch das Gebiet der Entwicklungsmethodik ein. Dieser Teil ist besonders für Studenten und Informatiker gedacht, die als Entwickler tätig werden wollen oder es bereits sind.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung15
1.1 Begriffsbestimmung und Beispiele15
1.2 Systemkategorien17
1.3 Typischer Aufbau19
1.4 Zusammenfassung21
2 Bauformen und Implementierungsarten23
2.1 Bauformen23
2.2 Implementierungsarten25
2.3 übersicht über Technologien für Eingebettete Systeme26
2.3.1 Anwendungsspezifische Hardware26
2.3.2 Feldprogrammierbare Bausteine (FPGAs)29
2.4 Evolution der Siliziumtechnologie34
2.5 Zusammenfassung35
3 Mikroprozessor-Grundlagen37
3.1 Evolution der Mikroprozessoren37
3.2 Mikroprozessoren in Eingebetteten Systemen38
3.3 Mikroprozessor-Grundlagen40
3.3.1 Mikroprozessor-Architekturen40
3.3.2 Eingabe und Ausgabe durch Befehle, Register und Interrupts43
3.3.3 Speicher-Systeme45
3.3.4 Hauptspeicher51
3.3.5 Festwertspeicher (ROM)54
3.3.6 Befehls-Verarbeitungsmethoden54
3.3.7 Performanz und Energieverbrauch60
3.3.8 Ein-Ausgabe-Geräte und Schnittstellen64
3.4 Mikrokontroller und Mikroprozessoren65
3.4.1 Niedrigpreis-Mikrokontroller66
3.4.2 Mikroprozessoren höherer Leistung67
3.4.3 Mikroprozessor-Familien67
3.5 Mehrprozessorsysteme75
3.5.1 Beispiel für ein Mehrprozessor-System: Der Cell-Prozessor77
3.6 Prozesse und Betriebssysteme78
3.6.1 Prozesse78
3.6.2 Wozu Betriebssysteme?80
3.6.3 Aufgaben und Schichtenmodell eines Betriebssystems82
3.6.4 Echtzeitbetriebssysteme84
3.6.5 Zeitablaufplanung in Echtzeitbetriebssystemen84
3.6.6 Prioritätsumkehr und Prioritätsvererbung91
3.7 Zusammenfassung93
4 Kommunikation, Busse, Netzwerke und verteilte Systeme95
4.1 Das ISO-OSI-Referenzmodell95
4.2 Modellierung der Kommunikation99
4.2.1 Kommunikationsprimitive99
4.2.2 Der parallele Bus102
4.3 Verteilte Systeme111
4.4 Netzwerke113
4.4.1 Kommunikationsmodi114
4.4.2 Netzwerk-Topologien114
4.5 Busähnliche Netzwerke oder serielle Busse117
4.5.1 Der I2C-Bus119
4.5.2 Der CAN-Bus120
4.5.3 FlexRay, LIN und MOST123
4.5.4 Profibus (Process Field Bus)124
4.5.5 Weitere Verbindungsnetzwerke für verteilte Systeme126
4.6 Zusammenfassung128
5 Entwicklungsmethodik129
5.1 Die Produktivitätslücke129
5.2 Anforderungen131
5.2.1 Nichtfunktionale Anforderungen131
5.2.2 Lastenheft135
5.3 Der Beginn einer Entwicklung137
5.3.1 Der Architekturbegriff138
5.3.2 Pflichtenheft139
5.3.3 Spezifikation140
5.4 Entwurfsmethoden von Software-Systemen142
5.4.1 Das Wasserfallmodell142
5.4.2 Das Spiralmodell144
5.5 Hardware-Entwicklungsmethodik: Die Abstraktionsebenen145
5.6 Entwicklungsmethoden von Eingebetteten Systemen149
5.6.1 Erfassen und Simulieren150
5.6.2 Beschreiben und Synthetisieren151
5.6.3 Spezifizieren, Explorieren und Verfeinern152
5.6.4 Evolution der Chip-Entwicklung: Vom ASIC zum SoC154
5.6.5 Plattformbasierter Entwurf für Ein-Chip-Systeme157
5.6.6 Beispiele von Mehrprozessor-Entwicklungsplattformen159
5.7 Modellieren von Systemen164
5.7.1 Was sind Modelle?164
5.7.2 Modelle auf System- und algorithmischer Ebene: Berechnungsmodelle167
5.7.3 Unified Modeling Language (UML)180
5.7.4 Transaction Level-Modellierung (TLM)182
5.7.5 Modellieren auf RT-Ebene188
5.7.6 Modelle auf Logik-Ebene193
5.8 Modellbasierte Entwicklungsmethode193
5.8.1 Synthese195
5.8.2 System-Synthese196
5.8.3 Software-Synthese von Eingebetteten Systemen206
5.8.4 Das ESE-Werkzeug von Gajski et al223
5.9 Software-Entwicklung für Eingebettete Systeme224
5.9.1 Programmentwicklung225
5.9.2 Entwickeln von Klassendiagrammen mit CRC-Karten225
5.9.3 Entwurfsmuster228
5.9.4 Programm-Modelle228
5.9.5 Compiler für Eingebettete Systeme231
5.9.6 Programm-Optimierungen231
5.10 Verifikation, Simulation und Validierung237
5.10.1 Simulation238
5.10.2 Formale Verifikation245
5.10.3 Werkzeuge für Modellierung und Simulation248
5.11 Test250
5.11.1 Begriffsbestimmungen, Black-Box- und White-Box-Test251
5.11.2 Ein klassisches Fehlermodell252
5.11.3 Testmuster252
5.11.4 JTAG Boundary-Scan254
5.12 Zusammenfassung255
6 Beschreibungssprachen für den Systementwurf257
6.1 VHDL – Eine Hardware-Beschreibungssprache258
6.1.1 Grundlegender Aufbau259
6.1.2 Das Sprachkonzept263
6.1.3 Die Schaltungsbeschreibung264
6.1.4 Signale und Datentypen269
6.1.5 Operationen274
6.1.6 Parallele und sequenzielle Anweisungen277
6.1.7 Zusammenfassung290
6.2 Die System-Beschreibungssprache SystemC291
6.2.1 Grundlagen von SystemC293
6.2.2 Beispiel eines SystemC-Moduls296
6.2.3 Simulationssemantik305
6.2.4 Transaction-Modellierung mit SystemC307
6.2.5 RTL-Modellierung mit SystemC308
6.2.6 Zusammenfassung309
7 Sensornetzwerke311
7.1 Drahtlose Sensornetzwerke311
7.1.1 Einsatz von Sensornetzwerken, Topologie312
7.2 Kommunikation im Sensornetzwerk314
7.2.1 Der Protokoll-Stapel (Protocol Stack) von drahtlosen Sensornetzwerken316
7.2.2 Anwendungsschicht317
7.2.3 Transportschicht318
7.2.4 Netzwerkschicht318
7.2.5 Datensicherungsschicht (Data Link)319
7.2.6 Medium Access Control (MAC)320
7.2.7 Physikalische Schicht von drahtlosen Sensornetzwerken326
7.3 Der Sensorknoten327
7.3.1 Beispiele von Sensorknoten329
7.4 Kommunikationsstandards für MANETs331
7.5 Zusammenfassung333
8 High-Level-Synthese335
8.1 Einführung: Begriffsbestimmungen und Bewertung336
8.1.1 Begrisffsbestimmungen336
8.1.2 Eingabe und Ausgabe eines High-Level-Synthese-Werkzeugs337
8.1.3 Bewertung von elektronischen Schaltkreisen340
8.2 Die wesentlichen Schritte der High-Level-Synthese342
8.2.1 Allokierung343
8.2.2 Die Komponentenbibliothek344
8.3 Zeitablaufplanung (Scheduling)345
8.3.1 Einführung in die Zeitablaufplanung: Der Sequenzgraf345
8.3.2 Zeitablaufplanung ohne Ressource-Schranken348
8.3.3 Zeitablaufplanung unter Ressource- und Zeitschranken352
8.3.4 Einige besondere Verfahren der Zeitablaufplanung365
8.3.5 Zusammenfassung des Abschnitts Zeitablaufplanung369
8.4 Ressourcen-Bindung369
8.4.1 Kompatibilitäts- und Konfliktgraf370
8.4.2 Bindung von Speicher-Ressourcen (Registern)372
8.4.3 Die Grafen-Partitionierungs-Methode375
8.4.4 Zuweisung von Verbindungselementen und Erstellung der Netzliste377
8.5 Steuerwerksynthese384
8.5.1 Das mikrocodebasierte Steuerwerk385
8.5.2 Das hartverdrahtete Steuerwerk386
8.6 Zusammenfassung388
Literaturverzeichnis389
Index397

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